电子电气产品抗电强度试验的应用

张翼翔

（上海仪器仪表自控系统检验测试所有限公司，上海，200233）

0 引言

抗电强度试验，也叫做高电压试验，或者介电强度试验，是电气电子设备产品标准、安全评估中广泛采用的一个基本而重要的试验内容。它通过对产品的绝缘系统或元器件施加高电压来检查绝缘的效果。试验中对受试产品的绝缘系统施加一分钟的高电压。如果受试绝缘能够保持住这个电压，就视作通过了试验。而如果施加的电压导致绝缘性能突然崩溃，使得电流通过，那么就认为绝缘不足、试验失败，可能使操作者暴露在电击危险之下。

1 材料绝缘和介电击穿

对特定材料施加的电动力足够大，迫使电荷运动时，就会产生电流。电荷运动的载体是材料中的电子。导体自由电子多，电荷运动的阻力小，电荷流动造成发热式的能量损失就小。反之，绝缘材料的物理结构不允许电子轻易运动，就不能有效地在材料里承载电荷。这就是材料绝缘的原理。

绝缘材料的介电击穿是一种复杂的物理现象，在固体、液体、气体中的原理也不完全相同。对固态绝缘材料，足够强大的电场会持续激励电子，最终使它们获得足够的能量，从而跨过带隙进入导带，急剧增加材料的导电性[1]。这个变化过程就是介电击穿，而开始发生击穿所需的电场就称作介电强度或者抗电强度。定性的说，介电击穿是由施加电压造成的受试绝缘体阻抗的突然改变。试验电压破坏了材料的高阻性，使材料导电性剧烈增加。介电击穿须要对绝缘材料施加强电场，不同材料开始出现介电击穿须要的电场强度不同，也就是说，材料不同，其介电强度就不同。

2 介电电流和击穿电流

抗电强度试验中对绝缘体施加高电压会产生微弱的电流，称为介电电流。电压持续升高到材料发生介电击穿后，材料失去阻性，电流急剧升高，此时的电流就称作击穿电流。气体和固体材料的介电电流变化特性见下图。

3 抗电强度试验的实施

电子电气产品的抗电强度试验一般使用耐压仪、高压发生器来完成。试验时将试验仪的电极按标准要求的方法分别搭接在受试绝缘体的两端上。试验仪产生高电压，实时检测试验电路中的电流。如果受试绝缘体保持住了试验电压没有发生击穿，则试验判为合格。当发生介电击穿时，受试绝缘体从高阻性的状态突然失去电阻性，试验电路中的电流因此急剧上升。试验仪检测到电流大于试验前设置的失效门限电流时，会切断试验电压输出并发出报警，试验判做失败。这就是抗电强度试验仪的工作原理。试验对象是产品整体绝缘系统时，应确认产品开关都设置在闭合、导通的位置，确保受试的是整个绝缘系统的合集而不仅仅是开关及开关前的电路。

图1 气态绝缘材料

图2 固态绝缘材料

3.1 抗电强度试验中的注意事项

3.1.1 误报警

耐压试验仪判定介电击穿的功能简单实用，但也有问题。除了直流试验中提升试验电压过快造成充电电流异常增大外，有时过电流警报不是指示击穿，而可能是产品本身介电电流相对过大，超过了失效电流门限的设定值。虽然被试验设备判为试验失败，但绝缘系统可能未被击穿，实际上是一种可能可以接受的试验结果。

图3 失效电流门限设置示例

因为抗电强度试验是评价绝缘系统的，对介电电流没有指定限值（注意如GB8898-2011等标准中提到的电流要求是试验装置输出能力的要求而非试验失败的判据要求）。因此，试验应用中要确定试验失败是击穿导致的而不是未正确设定失效电流门限导致的。介电击穿是抗电强度试验唯一的失效判据。试验中介电电流开始出现剧烈增加的精确值并不重要，重要的是介电电流突然剧烈增大表明了击穿的发生。大多数产品的安全标准规范没有把电流大小作为抗电强度试验的失败判据。因此试验中，试验人员应该注意观察介电电流在施加试验电压过程中的变化，以确认试验结果的正确性。

如果已知预期电流，例如已经进行了工作条件下的漏电流测量，就可以把失效电流门限设定为该值的一定倍数。则当试验中电流超过这个值时，就更有可能是介电击穿失效，而不是施加试验电压造成漏电流路径上的介电电流超限。获得这个倍数可以采用如下思路：在没有发生介电击穿时，绝缘体的阻抗大致不变的，固态特性占主导的绝缘系统中施加电压与电流之间大致上呈线性关系。设产品工作电压220V，试验电压取基本绝缘常用的1500V，那么介电电流就是正常状态漏电流的7倍左右，再增加一些变化量取整到10倍。合理设置试验仪的失效电流门限，可以在增加测试效率的同时保护受试产品和试验设备。

3.1.2 高压试验产生的射频干扰

此外，高电压试验条件，如3kV以上的试验中，介电击穿产生的电晕放电现象可以通过试验线束作为耦合路径对周边环境作宽带射频干扰。试验实践中应注意试验线束、试验电极和受试电路要良好接触。当干扰不可避免时，可以考虑在试验电极前串接470Ω电阻改变介电击穿瞬间试验电路的阻抗条件来降低射频干扰。电阻功率不需要很大，只要几瓦就够，但其脉冲耐压性能要远大于试验电压以确保介电击穿发生在受试绝缘而不是加装的电阻中。加装的电阻会稍微分摊掉一些试验电压，试验时应注意根据试验仪特性适当补偿。

3.1.3 直流试验

进行直流试验时应当注意，试验完成时，受试设备内的电容器已经充分充电，具有潜在的电击危险。操作员须要注意使用泄放电阻进行放电以保持安全。使用具有自动放电功能的试验仪可以简化这个步骤，但更应注意使用中试验仪须要可靠接地。

3.1.4 抗电强度试验的破坏性

还要注意抗电强度试验具有破坏性的问题。固体将要发生介电击穿前，一般会出现部分放电，使得电极间最近的绝缘体和金属退化。最终，部分放电会烧出一条碳化通道导通电极形成击穿。这种现象在薄层绝缘材料的抗电试验中最为明显，发生介电击穿的受试材料会在接近电极最近的薄弱处出现烧黑的孔洞。而对气体来说，强电压梯度区域会造成附近的气体部分电离并开始导电。荧光灯就是利用了这种低压放电特性。导致气体介电击穿的电压可以用巴申定律推算。其基本关系为：当气体成分和电极材料一定时，气体间隙击穿电压是气压和极间距离乘积的函数；当气体温度不定时，气体间隙击穿电压是气体密度和极间距离的函数。[2]根据试验电压的不同，空气击穿前会部分击穿产生火花、飞弧、闪络等，被击穿时会发生持续电弧。高能电弧具有高温，能使电弧路径周围的材料退化甚至变化。

电子电气产品的绝缘，一般是气体绝缘材料如空气，和固体绝缘材料，包括薄层绝缘材料的组合。当受试绝缘系统的介电强度远高于试验施加的电压时，抗电强度试验没有破坏性。但当受试绝缘系统的介电强度接近，甚至等于、弱于施加的电压时，就可能发生部分放电甚至介电击穿。空气的介电击穿虽然会产生化学变化，但由于有周围空气填充替代，因此是可恢复的，而固体材料的击穿则伴有不可逆的器质性变化。不过，抗电强度试验仪设计上在检测到介电电流失控时会切断试验电压停止试验，这种检测一般在毫秒级左右。合理设置试验仪的失效电流门限可以降低电流，限制击穿时的总能量，从而降低试验的破坏性。因此大致上可以认为，如果受试绝缘系统可以通过抗电强度试验，则试验是没有破坏性的，而如果受试绝缘接近临界点或不能通过试验，则是有破坏性的。由于击穿总是发生在阻抗最小的通路上，因此薄层材料、小型半导体器件更容易受影响遭到破坏。试验实践中可根据实际情况断开不需要受试的绝缘体。

4 结束语

抗电强度试验可以检验产品绝缘系统的质量。但要注意，试验的目标是评价绝缘系统的可靠性。试验期间的介电电流是一个参考量，不能用工作条件的漏电流限值评价。抗电强度试验设备一般会采用失效电流限值来判断介电击穿。合理设置参数时，试验仪可以给出可信的结果。但当预期电流未知，失效门限设置不理想等情况下，试验电压断开的不通过结果也可能是误报警。应该研判是否真的发生了介电击穿。如果试验失败发生了介电击穿，可能会对绝缘系统造成不可逆的损伤。